2012年投入使用的河北建筑科技研發(fā)中心辦公樓有一件稀罕事：盛夏時節(jié)室外溫度升至30℃，十分炎熱。然而，沒有安裝傳統(tǒng)空調(diào)的30多個房間內(nèi)涼爽宜人，室溫只有26℃左右，沒有讓200多名工作在這里的員工感到絲毫炎熱。寒冬季節(jié)同樣讓人驚奇，盡管室外溫度低達(dá)零下十余攝氏度，但沒有安裝一塊暖氣片的辦公室同樣溫暖如春。
這個尖頂?shù)钠两ㄖ獗砜床坏絺鹘y(tǒng)空調(diào)的外機(jī)，也看不到大型空調(diào)所用的冷卻塔，更沒有鍋爐的蹤影，四季如春的感覺如何而來？
答案在地下。在河北省建筑科技研發(fā)中心氣派漂亮的主樓內(nèi)和地下，布有淺層地?zé)崂迷O(shè)施。這個新穎的方法成功使近2萬平方米的建筑內(nèi)四季如春。“這里安裝了土壤型地源熱泵，往地下打了108個110米深的孔，每個孔下了一個U形管，管內(nèi)注滿了水。水作為一種介質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)地上地下熱量的交換和傳遞。”在河北省建筑科技研發(fā)中心的地下一層，邊智慧副院長指著兩臺地源熱泵機(jī)組說，地源熱泵就是地上與地下熱量交換樞紐。在冬天，地下土壤中的熱量通過熱泵帶到室內(nèi)；相反，在夏天，室內(nèi)的熱量通過熱泵排入到地下土壤中去。然后，再通過布在樓內(nèi)的管道輸送到各個辦公室。
在邊智慧看來，淺層地?zé)崮苁且粋€巨大的“綠色能源寶庫”。“在我們腳下的數(shù)十米到數(shù)百米深的地下，溫度很恒定，這個地區(qū)在15攝氏度左右。”邊智慧說，淺層地?zé)崮荛g接來自于太陽能，它收集了太陽射向地球60%的能量，相當(dāng)于人類每年能耗的近2萬倍，加上地核芯熱綜合作用，這個地層形成相對恒溫層帶。
不過，這一溫度并不能達(dá)到冬季供暖和夏季制冷要求，要實(shí)現(xiàn)冬暖夏涼還需要“地源熱泵技術(shù)”。他解釋說，地源熱泵技術(shù)主要是利用地下常溫土壤和地下水相對穩(wěn)定的特性，通過深埋于建筑物周圍的管路系統(tǒng)或地下水，采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移與建筑物完成熱交換的一種技術(shù)。
地源熱泵技術(shù)正變得越來越先進(jìn)。在熱泵機(jī)組上有一個普通的液晶顯示屏，“別看它普通，作用可大呢！”邊智慧說，這個顯示屏是個小電腦，控制著熱泵機(jī)組的工作狀態(tài)，通過按鈕，就可以控制供暖制冷設(shè)施。
來自地下的能源很節(jié)能
與傳統(tǒng)能源相比，地源熱泵的應(yīng)用讓整棟建筑不再需要鍋爐、冷卻塔等設(shè)備，建筑看起來更漂亮、完整。那么相比傳統(tǒng)能源，這種能源從數(shù)據(jù)上比較有多節(jié)能呢？
唐山灤南縣光榮院是一個難得的燃煤鍋爐和地源熱泵的比較場。這座唐山的養(yǎng)老院有兩棟樓，2013年剛剛?cè)胱〉墓怯玫氖堑卦礋岜?，而老樓用的是燃煤鍋爐。兩個采用不同熱源方式的機(jī)房緊挨著，一個門口十分干凈，另一個門口地面卻有黑黑的痕跡。干凈的是熱泵機(jī)房，有黑煤痕跡的則是燃煤鍋爐機(jī)房。
安裝了地源熱泵后，唐山灤南縣光榮院院長潘秀榮就留意著兩種供熱方式的賬目：燃煤鍋爐和地源熱泵的前期投入差得并不多，但用燃煤鍋爐的老樓大概8400平方米，一個采暖季用煤800噸，以每噸600元計算，大概要48萬，還需要3個工人，工資大概十幾萬。而用地源熱泵的公寓樓8600平方米，一個采暖季，電費(fèi)大概是22萬元。一個采暖季，用地源熱泵的樓大概節(jié)省30多萬元。“而且熱泵的效果更好，還能一機(jī)多用。”他說，燃煤鍋爐只能供暖，而目前改過的地源熱泵還能在夏季當(dāng)空調(diào)用。
現(xiàn)在，潘秀榮正在籌劃著要把老樓也一起改了。在他看來，地源熱泵系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)，不僅節(jié)省了大量能源，而且用一套設(shè)備可以同時滿足供熱和供冷的要求，減少了設(shè)備的初投資。
而從事20余年建筑節(jié)能設(shè)計的河北建筑科技研發(fā)中心的邊智慧對一棟建筑的整體節(jié)能和外觀同樣關(guān)注。在他看來，傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)中，不管是水冷或風(fēng)冷，其換熱器對建筑立面造型均造成一定的破壞作用。而且，水冷換熱器須配置冷卻塔，且必須置于大氣中，風(fēng)冷機(jī)組也一樣，都要暴露于建筑物之上的大氣之中，影響了建筑立面造型美觀效果。
“而且，風(fēng)冷換熱器和水冷換熱器的換熱環(huán)境均為大氣，和大氣換熱不可避免地受到環(huán)境條件變化的影響。”他舉例說，比如，夏天當(dāng)室外溫度達(dá)到40℃時，由于換熱效率的降低，主機(jī)的制冷量將下降20%～40%。而且，風(fēng)冷機(jī)組將廢熱排入大氣，使室外溫度升高，還將水蒸氣帶入大氣中，這也導(dǎo)致大氣環(huán)境更加惡劣。
這些弊端對于地源熱泵機(jī)組來講是沒有的。邊智慧說，地源熱泵機(jī)組改變了“換熱對象”，不與大氣換熱，而變成與大地?fù)Q熱，換熱對象是1.5米以下的地層，其初始溫度大約等于年平均氣溫，一般在14～16℃左右，基本不受外界環(huán)境的影響。
而且，他表示，在換熱過程中，地下?lián)Q熱器在夏季將多余的熱量排到大地中，在冬季又將熱量取回，以達(dá)到冬夏取散熱量平衡，達(dá)到制冷和供暖的目的，這使得熱泵無論在制冷或制熱工況中均處于高效率。
邊智慧也算過一筆賬：冬季，投入1千瓦的電能，可以得到4千瓦左右的熱能；夏季，投入1千瓦的電能，可以得到5千瓦以上的冷量。系統(tǒng)的高效率，壓縮機(jī)的低能耗，使運(yùn)行費(fèi)用大幅減少，只有傳統(tǒng)方式的2/3。
河北地下正“熱”起來
河北省科學(xué)院能源研究所工程師劉偉多年來一直從事地源熱泵應(yīng)用研究。在他眼里，河北省氣候特性和地質(zhì)條件也非常適合發(fā)展使用地源熱泵系統(tǒng)。“地源熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了外界溫度與"地能"的冷熱交換，但交換必須是雙向的。”他說，“地能”并不是不斷產(chǎn)生能量，而是相當(dāng)于一個能源儲藏庫的作用，單向取熱或送熱，都會逐漸讓這個能源寶庫失去平衡。
他認(rèn)為，對于制冷需求的地區(qū)，比如南方城市，地源熱泵可能并不適合。但河北省作為冬冷夏熱地區(qū)，基本上所有的建筑物都有夏季制冷、冬季采暖的室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)的要求，非常適合地源熱泵技術(shù)的發(fā)展。
而在我省，這種利用“來自地下的能源”技術(shù)正逐步被開發(fā)利用起來。
數(shù)據(jù)顯示，目前，全省11個地市都有地源熱泵項(xiàng)目應(yīng)用，其中石家莊、滄州、邢臺地區(qū)應(yīng)用的項(xiàng)目較多。其中，從2007年開始截止到目前，全省各類地源熱泵項(xiàng)目177項(xiàng)，項(xiàng)目總節(jié)約裝機(jī)容量10.3萬千瓦。每年節(jié)約電量為5.1億千瓦時，節(jié)約標(biāo)煤17.3萬噸，減少二氧化碳(CO2)排放42.8萬噸，減少二氧化硫(SO2)排放0.4萬噸，減少粉塵排放0.2萬噸。
而且，地源熱泵系統(tǒng)已經(jīng)不僅僅局限在利用土壤熱能了?，F(xiàn)在，工業(yè)余熱、地?zé)嵛菜⑽蹚U水源等作為新的熱源形式也應(yīng)用在地源熱泵系統(tǒng)中。
在去年的采暖季，中水源熱泵項(xiàng)目就為石家莊東王商品樓等約137萬平方米面積的小區(qū)進(jìn)行了供熱；在石家莊正定工業(yè)園區(qū)，園區(qū)利用工業(yè)園區(qū)內(nèi)的工藝循環(huán)水作為熱源，建立地源熱泵供熱站，為整個工業(yè)園區(qū)的廠房、辦公樓、住宅冬季供暖，目前一期10萬平方米地源熱泵供熱系統(tǒng)已經(jīng)建造完畢……“地源熱泵技術(shù)技術(shù)在河北省發(fā)展的總體趨勢是好的。”劉偉說，河北省地源熱泵行業(yè)的發(fā)展十分迅速，而我省針對地源熱泵項(xiàng)目的補(bǔ)貼政策也有力推動了地源熱泵技術(shù)的發(fā)展以及地源熱泵項(xiàng)目在河北省內(nèi)的推廣應(yīng)用。特別是從2007年開始，整個行業(yè)的發(fā)展呈爆炸式增長。目前，河北地源熱泵行業(yè)，無論是在面積上，還是應(yīng)用領(lǐng)域方面，目前均已位居國內(nèi)前列。
用地下能源寶庫別忘地下水
不過，也有專家顧慮水源熱泵系統(tǒng)可能會造成對地下水的影響。“有些采用水源熱泵系統(tǒng)的用熱單位由于一味追求利益最大化，沒有選擇循環(huán)利用，回水系統(tǒng)更是糊弄了事。”這位專家說，這些行為不但污染了環(huán)境，還造成了地下水資源的日漸枯竭。一旦地源熱泵地下水回灌量小于開采量，地下水大量流失，將導(dǎo)致地面沉降等環(huán)境問題，還可能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。“地能是一種環(huán)保、節(jié)能的可再生資源，但要用好這種能源，要注意的問題還有不少。”劉偉說，地源熱泵技術(shù)在河北省經(jīng)過幾年的迅猛發(fā)展，其節(jié)能減排、方便使用的優(yōu)點(diǎn)日漸突出，但開發(fā)利用淺層地能資源存在的問題也初見端倪。“目前，河北省淺層地能利用整體處于應(yīng)用相對超前，總體支持滯后的狀態(tài)。其突出矛盾可總結(jié)為"缺乏有效權(quán)威部門參加監(jiān)督管理"。”
劉偉說，目前，專業(yè)研究機(jī)構(gòu)、設(shè)計部門以及擁有專業(yè)資質(zhì)的施工隊(duì)伍、施工監(jiān)理和管理商正共同協(xié)作并構(gòu)成產(chǎn)業(yè)鏈，而從方案設(shè)計一直到最后運(yùn)行管理環(huán)節(jié)，整個鏈條都需要有第三方檢測機(jī)構(gòu)。“只有全過程都能得到有效監(jiān)管，地源熱泵市場才能健康發(fā)展。”在劉偉看來，更應(yīng)盡早對淺層地能資源進(jìn)行系統(tǒng)性、針對性的調(diào)查工作，建立用于地源熱泵的水文地質(zhì)資料庫，同時，培養(yǎng)專業(yè)的設(shè)計和施工人員，以及從地下地上形成完整的監(jiān)管體系。
而相對采用水源的熱泵，他更贊成發(fā)展土壤源熱泵。“河北省人均水資源占有量不足300立方米，為全國平均值的1/7，為極度缺水省份。”劉偉說，水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行需抽取地下水，但目前從實(shí)際運(yùn)行情況來看，并不能保證地下水百分之百回灌，造成了嚴(yán)重的水資源浪費(fèi)。“而河北省的平原地區(qū)是土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性較好的地區(qū)，非常適合這種土壤源熱泵類型系統(tǒng)的應(yīng)用。”
目前，我省地源熱泵的發(fā)展計劃也正是這個方向。按照計劃，到2015年，全省推廣淺層地能建筑利用面積3400萬平方米，其中要求地埋管地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用面積占到90%以上，嚴(yán)格控制地下水、地源熱泵系統(tǒng)的發(fā)展，只允許在部分150米以淺范圍內(nèi)，地下水以鹽堿水為主的地區(qū)可以適度發(fā)展地下水地源熱泵系統(tǒng)，并嚴(yán)格回灌措施，保證地下水的全部回灌。
冬季不燒暖氣室內(nèi)照樣溫暖如春，夏季不開傳統(tǒng)空調(diào)屋內(nèi)清涼一片……到2020年我省推廣淺層地能建筑應(yīng)用面積5500萬平方米，推廣地?zé)崽菁壚眉肮I(yè)余熱尾水熱泵建筑應(yīng)用面積1500萬平方米。
這種來自地下的能源，在未來的河北，將出現(xiàn)在更多的學(xué)校、住宅、購物中心、辦公樓、商住寫字樓、企業(yè)廠房、酒店、機(jī)場、醫(yī)院里。
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